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  人類社會發(fā)展離不開石油資源，然而在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活過程中，油類化工物質(zhì)的泄露和含油污水的大量排放易導(dǎo)致嚴(yán)重的水體污染，破壞水體生態(tài)平衡甚至威脅人類健康。如何快速實(shí)現(xiàn)油/水混合物的高效分離已經(jīng)成為全球社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的重力分離和吸附等方法可以在一定程度上去除水體中不穩(wěn)定的游離態(tài)油滴和浮油，但難以有效去除穩(wěn)定的乳化態(tài)油滴�；瘜W(xué)絮凝、高壓電破乳等方法雖然可以實(shí)現(xiàn)破乳作用，但仍存在二次污染和能耗高等問題，難以大規(guī)模應(yīng)用于含油污水處理領(lǐng)域。

  近年來，膜分離技術(shù)因具有操作簡單、能耗低、分離效率高且無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在含油廢水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有分離膜材料多采用親油性的聚合物經(jīng)相分離方法制備得到，膜材料孔隙率較低，且表面抗油粘附性能差，在分離油/水乳液過程中極易被油滴污染，導(dǎo)致分離通量急劇降低，極大的限制了其應(yīng)用性能。因此，如何進(jìn)一步提升材料的分離通量和抗污染性能仍是目前油/水分離膜材料研究的重要課題。

  針對這一問題，東華大學(xué)丁彬教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)致力于將靜電紡納米纖維材料應(yīng)用于油/水分離領(lǐng)域。他們利用納米纖維膜孔隙率高，連通性好且易于功能化的優(yōu)點(diǎn)，通過協(xié)同調(diào)控納米纖維材料孔道結(jié)構(gòu)與表面潤濕性，成功制備出一系列具有高分離通量和高分離效率的油/水分離材料（ACS Nano 2015, 9, 3791，J. Mater. Chem. A 2017, 5, 497）。近期，材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》在線刊登了他們的最新研究成果（Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions），該論文的第一作者是東華大學(xué)的博士生葛建龍，通訊作者是丁彬教授。

  在此項(xiàng)研究中，課題組研究人員在他們的前期研究基礎(chǔ)上，將靜電紡絲技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)相結(jié)合，以改性聚丙烯腈作為本體材料，通過精細(xì)調(diào)控電紡過程參數(shù)，首次在常規(guī)靜電紡纖維膜表面構(gòu)建了具有仿荷葉表面微/納結(jié)構(gòu)的超潤濕性納米纖維皮層。他們進(jìn)一步研究了膜材料表面物理結(jié)構(gòu)、聚合物本體潤濕性對膜材料水下疏油性能的影響規(guī)律，結(jié)果證實(shí)所得膜材料在水下對油滴表現(xiàn)出Cassie態(tài)潤濕效應(yīng)：高親水性的聚合物本體、高孔隙率的皮層和多級粗糙結(jié)構(gòu)在膜表面形成穩(wěn)定的水化層，有效減少了油滴與膜本體的接觸面積；通過協(xié)同優(yōu)化分離膜皮層微/納多級結(jié)構(gòu)與聚合物本體親水性，所得復(fù)合膜材料具有優(yōu)異的超親水和水下超疏油性能(水下油接觸角可達(dá)162°，滾動角< 3°)。

圖1 ，（a-d）仿荷葉表面微/納結(jié)構(gòu)納米纖維皮層構(gòu)筑及表征，（e，f）超親水/水下超疏油性能展示，（g）復(fù)合膜拉伸力學(xué)性能及實(shí)物展示

圖2，(a-c) 膜材料表面水下疏油潤濕性規(guī)律研究, （d）水下超疏油機(jī)理示意圖

  此外，不同于傳統(tǒng)相分離膜材料致密的皮層結(jié)構(gòu)，他們所制備的納米纖維分離膜材料具有超薄、亞微米孔徑皮層和高孔隙率特性，可在高效攔截乳化油滴的同時保持良好的水透過性。因而，該膜材料對高度乳化的水包油型乳液表現(xiàn)出優(yōu)異的分離性能，其在極低的驅(qū)動壓力下（乳液本身重力作用 ~1kPa）即可實(shí)現(xiàn)對油/水乳液的快速高效分離（分離通量可達(dá)到5152L m-2 h-1，分離效率為 99.93%），在降低能耗油/水分離應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。與此同時，憑借其優(yōu)異的防油抗污染性能，該分離膜材料在長周期分離過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于大規(guī)模含油廢水凈化領(lǐng)域。

圖3，（a）分離膜對無表面活性劑油/水乳液的重力驅(qū)動分離性能，（b）不同驅(qū)動壓力下膜對含表面活性劑乳液的分離性能，（c）分離前后乳液的光學(xué)顯微鏡圖片，（d）油/水乳液分離過程示意圖

圖4，（a）實(shí)驗(yàn)采用的油水分離裝置，（b）含表面活性劑的乳液自重分離和壓力驅(qū)動分離性能，（c）與現(xiàn)有油/水分離膜性能對比，（d）循環(huán)分離性能展示

  總之，丁彬教授研究團(tuán)隊(duì)采用了一種有效易行的方法制備出具有優(yōu)異油/水乳液分離性能的新型納米纖維分離膜材料，且該材料具有一定的規(guī)�；苽錆摿�。該項(xiàng)研究可為高效低能耗油/水乳液分離膜材料的設(shè)計制備提供指導(dǎo)和借鑒。

  該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金，上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

  原文鏈接：

  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nn506633b

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c6ta07652a

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705051/epdf

  下載：Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions